浅析DSP技术应用及发展前景

浅析DSP的技术应用和开展前景施红军信息工程学院控制理论与控制工程2012级14班研究生摘要：数字信号处理〔DSP〕是一门新兴学科，具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，广泛应用于实时信号处理系统等各个领域中。随着科学技术的飞速开展，DSP技术彻底的变革了人们的工作、学习和生活方式。本文概述了DSP技术的开展过程，简要分析和介绍了DSP处理器在多个领域应用状况和最新开展，同时展望了DSP技术的开展前景。关键词：数字信号处理应用前景AnalysisoftheApplicationandDevelopmentProspectofDSPTechnologySHIHongjun(SchoolofInformationandEngineering,ControlTheoryandControlEngineering,Class201214)Abstract:Digitalsignalprocessing(DSP)isanewdiscipline,ithaslotsofadvantagescontainedprogrammable,predictability,highprecision,wellstability,reliabilityandrepeatability,easyrealizationofadaptivealgorithm,largescaleintegrationwhichiswidelyusedindifferentkindsoffieldsjustlikethereal-timesignalprocessingsystem.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,DSPhavechangedpeople’swork,studyandlifestylethoroughly.Thispapermainlyoutlinesthedevelopmentprocessofdigitalsignalprocessingtechnology,analyzestheapplicationstatusinmanyareasofDSPprocessor,introducesthelatestdevelopmentsinDSP,Aswell,Looksaheadthedigitalsignalprocessingtechnologyforthefuturedevelopmentprospects.Keywords:DSPApplicationProspects引言DSP〔DigitalSignalProcessor〕是专门用于数字信号处理的微处理器，它是在数字信号处理的各种理论和算法的根底上开展起来的。数字信号处理的本质是信息提取和处理，用计算机或专用处理设备，将信息通过模拟、数字或光学方法从各种环境中提取出来，并将其转变为人或机器便于使用的形态。DSP技术可以归结为：以快速傅里叶变换和数字滤波器为核心，以逻辑电路为根底，以大规模集成电路为手段，利用软硬件来实现各种模拟信号的数字处理，其中包括信号检测、信号变换、信号的调制和解调、信号的运算、信号的传输和信号的交换等各种功能作用。DSP的产生及开展[1]DSP技术的开展历程主要经历了以下三个阶段：第一阶段，上世纪60、70年代，DSP仅仅是一个新的理论体系，提出了DSP〔DigitalSignalProcessing〕的根本理论和算法根底。当时DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。第二阶段，DSP代表数字信号处理器，从理论走向产品。1982年TI公司诞生了世界上首枚DSP芯片，到了80年代中期，DSP芯片伴随着CMOS技术的开展应运而生，它在存储容量和运算速度上都得到了成倍的提高。80年代后期，第三代的DSP芯片运算速度得到了进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信和计算机领域。90年代以后DSP技术迅猛开展，大约每2-3年就更新换代，同时新型集成度极高的DSP芯片广泛应用于通信、计算机领域。第三阶段，赋能(enablement)时期，DSP与高档CPU、SoC(SystemonChip)以及FPGA的融合。在这个阶段，DSP技术开展将深入社会的各个领域，对人类社会开展产生深远影响。DSP的相关特性[2]哈佛结构DSP的开展，与哈佛结构的提出密切相关。在20世纪30年代中期，德国科学家冯·诺伊曼创造了新的计算机结构，并命名冯·诺伊曼结构(图1)，PC机的CPU就是基于冯诺伊曼的体系结构。但是，当程序指令与数据共用一个存储空间和单一的地址及数据总线的这一结构在面对高速实时处理时,就会造成总线拥挤，哈佛大学将其加以改良后研制的MARK2I计算机采用了与冯·诺伊曼完全不同的另一种计算机结构(图2)，称为“哈佛结构”这种结构由于采用了完全隔离的程序和数据存储器以及双独立总线,大大的提高了运算处理速度。与冯·诺伊曼结构处理器比拟，哈佛结构处理器有两个明显的特点：〔1〕使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存。〔2〕使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。图1冯·诺伊曼结构图2哈佛结构后来，又提出了改良的哈佛结构，如图3所示。结构特点为：〔1〕使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理。〔2〕具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块〔程序存储模块和数据存储模块〕，公用数据总线那么被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输。〔3〕两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。图3数据总线流水线操作与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线操作以减少指令执行时间，流水作业，使取指令、译码和执行等操作可以重叠执行，指令可以在单个机器周期内完成，从而极大的提到了运算速度。采用独立的硬件乘法器采用独立的硬件乘法器，指令总线和数据总线分开控制，乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字滤波、快速傅里叶变换、离散余弦变换、矩阵运算等算法中的大量重复算法。快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。可以预见，随着微电子技术的开展，工作频率还将继续提高，指令周期将进一步缩短。良好的多机并行运行特性随着数字信号处理器DSP芯片的广泛使用和DSP芯片价格的不断降低，多个DSP芯片的并行处理已经成为近年来的研究热点，通过并行、串行和外存储器等接口使多个芯片可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10～50倍，数字信号处理器〔DSP〕与通用微处理器(GPP)的异同如下表：表1DSP与GPP的比拟DSP技术在各领域的应用[2]近年来，随着科学技术的飞速开展，DSP已成为通信领域里一门十分重要的新兴学科，DSP与通信领域中许多产品都联系密切。据统计，目前DSP在市场上的使用情况如下：.通信56.1%；.计算机21.16%；.消费电子和自动控制10.69%；.军事、航空4.59%；.仪器仪表3.5%；.工业控制3.31%；.办公自动化0.65%。上述数据直观地说明了DSP应用的广泛性，同时描绘了DSP技术今后的开展趋势，其应用主要有以下几个方面：DSP在多媒体中的应用多媒体包括文字、语言、图像、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大局部是视频数据和音频数据，而数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的，只有采用先进的压缩编码算法其进行压缩，节省存储空间，提高通信线路的传输效率，才能使高速的多媒体通信系统成为可能。多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息，并具有较强的交互性。因此，DSP在语音编码、图像压缩与复原的语音通信中得到了成功的应用。如今的DSP根本能实时实现大局部已形成国际标准的语音编解码算法与协议。移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用DSP。现代DSP完全有能力实现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调以及正交调幅调制与解调等。DSP在通信领域的应用近年来，随着通信技术的飞速开展，DSP已经成为信号与信息处理领域里一门十分重要的新兴学科，它是当今通信系统特别是无线电技术的主流开展方向。目前，DSP广泛应用于通信领域中，例如，Modem、数据加密、扩频通信、可视等。软件无线电是通信领域的前沿热点，是一种新的无线通信技术，是基于同一硬件平台上、安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台，它可进一步扩展至有线领域。随着DSP技术的开展和应用的成熟，特别是低功耗DSP芯片的出现，使软件无线电的应用研究成为热点。信号的数字化是实现软件无线电的先决条件。关键步骤是以可编程能力强的DSP来代替专用的数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。这样就可基于一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并可对工作频率、系统频宽、调制方式和信源编码等进行编程控制，系统的灵活性大大加强了。DSP仪器仪表领域的应用DSP已经涉足测量仪表和测试仪器行业，而且已有取代高档单片机的趋势。使用DSP开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平。新款DSP丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路，实现仪器仪表的SOC〔SystemOnChip,即片上系统〕设计。仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标，使用DSP芯片开发产品可使这两项指标大大提高。以TMS320F2810为例，其高效的32位CPU内核、优异的12位A/D转换器、丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为我们开发快速、高精度仪器搭建了广阔的平台。目前DSP正处于一个高速开展的时期，仪器仪表是DSP的一个重要应用领域，相信DSP的应用会推进仪器仪表的技术革新。DSP在智能控制领域中的应用目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的开展进步，智能控制系统的性能对其控制方式也提出了更高的要求。由于实时性、数据量和运算速度的不断提高，采用高速、高性能的DSP控制将成为智能控制领域主要的控制方式。充分利用DSP实时运算速度快的特点，将DSP应用于智能控制系统，这是当前开展的趋势。尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高，并易于构成并行处理网络，可大大提高控制系统的性能。DSP技术的开展前景[3,5]DSP技术的开展日新月异，对人类的影响也越来越大。在未来几年里，DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势开展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心。DSP的未来开展趋势，大致可以分为以下几个方向：SoC化SoC(SystemonChip)技术是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术开展方向。当前的DSP多数基于RISC〔精简指令集计算〕结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改良DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。TI公司的TMS320C80代表当今DSP领域中的最高水平，它在一块芯片上集成了4个DSP、1个RISC处理器、1个传输控制器、2个视频控制器。这样的芯片通常称之为MVP〔多媒体视频处理器〕。它可支持各种图像规格和各种算法，功能相当强。高性能化[6]当前，随着数据量飞速提高，更高的运行速度是未来DSP开展的必然要求和趋势。如计算机处理器，低性能、低运算速度必将为社会开展所淘汰。提高DSP运算速度，主要依靠新工艺改良其芯片结构。DSP的处理性能按照摩尔定律在飞速提高，双核乃至六核使DSP的性能可轻松实现。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW〔VeryLongInstructionWord超长指令字〕结构设计，其处理速度已高达2000MIPS。TMS320C55xTMDSP系列C55xTMDSP内核可以为高达600MIPS的性能提供300MHz时钟频率。当前DSP器件大都采用0.5μm--0.35μmCMOS工艺，按照CMOS的开展趋势，DSP的运算速度再提高100倍〔到达1600GIPS〕是完全有可能[3,5]。多核化在市场需求不断提高的今天，多核化[7]是DSP开展的大势所趋，特别是面向高速、高密度数据处理应用。多核DSP是面向高性能嵌入式应用而出现的一类CMP。它在单个芯片内集成了多个DSP核和其他类型的处理器核。相比单核DSP，多核DSP具有更强的并行处理能力、更优化的功耗管理方法、更方便的编程和调试手段，将成为今后高性能嵌入式应用的核心器件。可编程化可编程DSP给生产厂商和用户都提供了较大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广阔用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更廉价。例如冰箱、洗衣机，这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程DSP来进行大功率电机控制。由于本钱和功耗原因，可编程DSP应用广泛，如。在很多应用中，系统厂商需要决定采用哪条路线实现大批量生产，例如目前的MP3播放器有基于ARM、DSP或ASIC三种不同的方法，它们通过不同的路线实现低本钱和低功耗。总的来说，由于产品生命周期越来越短，设计师倾向于将越来越多的功能通过软件实现。定点DSP自十多年前浮点数字信号处理器(DSP)诞生以来，便为实时信号处理提供了算术上更为先进的备选方案。从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的本钱较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。结束语DSP技术开展日新月异